油卸車裝卸鶴管與旋轉(zhuǎn)接頭主密封圈設(shè)計應(yīng)用分析

      油卸車裝卸鶴管與旋轉(zhuǎn)接頭主密封圈設(shè)計應(yīng)用分析,為了解決傳統(tǒng)油罐車油料補加系統(tǒng)存在勞動強度大、加注效率低、操作人員易受有毒易燃油氣侵害等問題，開展了油罐車自主補油裝卸鶴管的設(shè)計及分析。先根據(jù)油罐車自主補油的功能需求，在人工裝卸鶴管基礎(chǔ)上通過將手動閥門改為氣動閥門，將松套法蘭替換為油罐車法蘭快速連接裝置，以及增加液壓缸驅(qū)動等方式進行了自主補油裝卸鶴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在旋轉(zhuǎn)接頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中通過增加密封件、塵封圈、止水環(huán)和防水墊片等進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；通過前處理、載荷施加以及求解后處理等技術(shù)針對旋轉(zhuǎn)接頭進行了CAE分析；再通過添加運動副約束進行了補油裝卸鶴管的動力學仿真分析，并獲得了裝卸鶴管末端關(guān)節(jié)的位移圖、速度圖和角加速度圖�；�于圓柱滾子和相關(guān)密封圈的旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計，在保證接頭密封同時也有效提高了補油裝卸鶴管各關(guān)節(jié)的支撐強渡，而CAE分析結(jié)果也驗證其滿足了強度和剛度要求。此外補油裝卸鶴管的動力學分析也確保了其末端關(guān)節(jié)自主補油時的移動需求。
      在原油裝卸方面，目前大部分石化公司都是采用人工補油設(shè)備，現(xiàn)場人員通過目視來操縱設(shè)備完成對油罐車的補油工作。輕質(zhì)原油具有揮發(fā)性強的特點，操作員吸入或接觸一定揮發(fā)物易造成急性或慢性的苯中毒。此外，油罐車加油作業(yè)多在室外，不僅要頂著嚴寒酷暑，而且要進行24h輪班作業(yè)，工作量大且強。因此如何提高油罐車補油效率，減少人力成本，降低因原油揮發(fā)給操作員帶來的傷害，已經(jīng)成為石化行業(yè)關(guān)注的焦點。包括內(nèi)臂、外臂、中間管道和旋轉(zhuǎn)接頭等結(jié)構(gòu)的裝卸鶴管是目前用于油罐車補油的主要門裝備。針對汽車中轉(zhuǎn)液化烴氣體，設(shè)計了一種包括裝卸鶴管內(nèi)外臂、彎管、旋轉(zhuǎn)接頭等在內(nèi)的萬象裝卸鶴管，通過接頭固定裝置將泄漏有效控制在可控范圍內(nèi)，降低了事故風險。針對LNG裝車撬用設(shè)計了一種輕便式裝卸鶴管系統(tǒng)，通過液相裝卸鶴管連接到槽車加液臂進行灌裝。針對安裝在發(fā)油棧臺上的上裝式操作裝卸鶴管，通過對管道連接、氣液相接頭等改進設(shè)計了下裝式裝卸鶴管，提高了油裝車的生產(chǎn)效率。從目前已有的裝卸鶴管裝備來看，仍然是以人工操作為主，主要通過改進連接頭等方式提高補油效率和防止泄露，仍然不具備自主補油功能。為了切實提高油罐車補油效率和安全性，具備自主補油功能的裝卸鶴管是當前石化業(yè)急需智能裝備。
1自主補油裝卸鶴管設(shè)計
1.1裝卸鶴管總體設(shè)計
      為了實現(xiàn)油罐車的自主補油，項目組在人工裝卸鶴管基礎(chǔ)上進行了改進設(shè)計，如圖1所示。包括視覺系統(tǒng)、對稱雙臂補油裝卸鶴管以及控制系統(tǒng)。通過視覺實時識別油罐車管道接頭，并基于控制系統(tǒng)驅(qū)動補油裝卸鶴管實現(xiàn)儲油罐和油罐車的自動、有效、安全對接。
      1.油罐車2.視覺系統(tǒng)3.補油裝卸鶴管4.控制系統(tǒng)
      在自主補油系統(tǒng)中，補油裝卸鶴管是關(guān)鍵，將原人工裝卸鶴管中的手動閥門改為氣動閥門，將松套法蘭替換為油罐車法蘭快速連接裝置，在垂管與旋轉(zhuǎn)接頭之間增加平衡調(diào)節(jié)裝置，使垂管基本處于水平狀態(tài)，在旋轉(zhuǎn)接頭處增加液壓缸驅(qū)動機構(gòu)，用于推動臂的旋轉(zhuǎn)，從而使得裝卸鶴管各關(guān)節(jié)在視覺引導下能自動舒展并實現(xiàn)與油罐車對接。圖2為單臂補油裝卸鶴管，包括旋轉(zhuǎn)接頭、液壓缸、平衡缸、氣動閥門、關(guān)節(jié)等，滿足了其在控制系統(tǒng)作用下能實現(xiàn)自動張開的條件。
      1.平衡缸2.氣動閥門3.一橫關(guān)節(jié)4.液壓缸5.旋轉(zhuǎn)接頭6.二橫關(guān)節(jié)7.切斷閥8.球閥9.法蘭盤
1.2旋轉(zhuǎn)接頭優(yōu)化設(shè)計
      旋轉(zhuǎn)接頭是裝卸鶴管橫豎關(guān)節(jié)實現(xiàn)相對運動、完成自主補油的關(guān)鍵連接件，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣直接關(guān)系到裝卸鶴管的密封性和強度，為此進行了如圖3所示的旋轉(zhuǎn)接頭優(yōu)化設(shè)計。內(nèi)法蘭盤和外法蘭盤之間通過兩排圓柱滾子支撐，實現(xiàn)了接頭的相對轉(zhuǎn)動，同時也提高了支撐強度；內(nèi)法蘭盤外壁的凹槽內(nèi)裝有塵封圈，實現(xiàn)了內(nèi)外法蘭盤的有效密封，防止了外部灰塵、雨、霜等進入旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部；內(nèi)法蘭盤內(nèi)壁的凹槽內(nèi)裝有止水環(huán)，外套體外壁凹槽內(nèi)裝有次密封圈，內(nèi)法蘭盤和外套體之間還裝有主密封圈實現(xiàn)了兩者的有效密封。主、次密封圈主要起到耐油、防腐以及減振作用。外法蘭盤和外套體之間也依次裝有防水墊片、主密封圈和次密封圈。止水環(huán)和防水墊片都屬于遇水膨脹型，可以起到二次堵漏止水的密封作用。
      1.外套體2.次密封圈3.主密封圈4.止水環(huán)5.內(nèi)法蘭盤6.圓柱滾子7.塵封圈8.外法蘭盤9.防水墊片
2旋轉(zhuǎn)接頭CAE分析
      在整個自主補油裝卸鶴管中，由于旋轉(zhuǎn)接頭承接著連續(xù)兩根裝卸鶴管管道的連接，無疑是設(shè)備中強度和剛度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為了確保裝卸鶴管的安全性，設(shè)計中進行了CAE分析。
2.1CAE分析前處理
      為了便于分析，設(shè)計采用了Solidworks中Work-bench模塊。接頭中金屬材料選用不銹鋼材料，網(wǎng)格劃分的大小設(shè)置為3mm長度，其中外法蘭盤劃分效果如圖4所示。
2.2載荷施加
      旋轉(zhuǎn)接頭的外套體和內(nèi)外法蘭盤通過螺栓連接，螺栓徑向也會受到零件所施加相應(yīng)的剪切應(yīng)力，約1500N。整個旋轉(zhuǎn)接頭外套體會受到其他關(guān)節(jié)的拉力，約為12MPa，在施加完載荷后即可進行模型求解。
2.3求解結(jié)果后處理
      圖5給出了分析求解得出的應(yīng)變云圖、應(yīng)力云圖和變形云圖。
      由應(yīng)變分析可知，螺栓連接處地方容易發(fā)生形變；由應(yīng)力圖可以看出，螺栓上方應(yīng)力大，容易受到破壞；由變形圖可以看出，當外套體軸向受力時，外套外圍表面處變形大。對比3幅變形圖，出于安全考慮，應(yīng)力大處應(yīng)被加強處理，可以對其熱處理或者在其表面鍍層可靠的金屬，從而達到加強加固的效果。變形大處可以采取適當增加與其作用力的相反力來相互作用抵消一部分力的優(yōu)化方法。
      此外，通過仿真分析可以看出，應(yīng)力圖中大的應(yīng)力值范圍在71.637MPa~125.33MPa之間，小于不銹鋼的許用應(yīng)力值155MPa。所以，所設(shè)計旋轉(zhuǎn)接頭的外套結(jié)構(gòu)強度和剛度能夠滿足使用要求。
3補油裝卸鶴管動力學仿真分析
3.1補油裝卸鶴管模型建立
      為了便于動力學分析，將Solidworks中補油裝卸鶴管模型進行簡化并導入adams軟件，如圖6所示.
3.2運動副約束添加
      根據(jù)油罐車自主補油裝卸鶴管各關(guān)節(jié)進行設(shè)置，在油罐車自主補油裝卸鶴管機架與大地之間添加固定約束，其余各關(guān)節(jié)根據(jù)油罐車自主補油裝卸鶴管實際情況添加轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或者移動關(guān)節(jié)。設(shè)計中所涉及運動副為固定副、移動副和轉(zhuǎn)動副，整個模型的運動副如圖7所示。
3.3仿真結(jié)果及后處理
      將裝卸鶴管中各物體連接關(guān)系以及驅(qū)動設(shè)置好之后即進行運動仿真，運動時間為4s，運動步數(shù)為1200步，仿真界面如圖8所示。
      為了確保所設(shè)計自主補油裝卸鶴管的安全、有效，設(shè)計中基于adams軟件進行了運動仿真，并對裝卸鶴管末端關(guān)節(jié)的位移、速度和角加速度進行分析。圖9給出了相應(yīng)的位移、速度和角速度曲線。由位移圖可以看出，前2s之內(nèi)線性位移值為X軸從-2800~-2200，總位移量為600mm，呈對稱變化，后2s內(nèi)平穩(wěn)運動；由速度圖可以看出，末端關(guān)節(jié)大線性速度為每秒500mm，在經(jīng)過約2s后趨于穩(wěn)定，前2s內(nèi)速度在正負值每秒500mm區(qū)間波動，后2s停止運動，速度趨近于0；由角速度圖可以看出，角加速度一開始劇烈的下降到0.264°/(m2·s)，0.1s之后緩速直線上升，趨于穩(wěn)定。
      針對現(xiàn)有石化行業(yè)人工加油存在的勞動強大、效率低以及易受有毒氣體侵害的問題，設(shè)計了一種自主補油裝卸鶴管。通過仿真和分析可以得出如下結(jié)論：
      （1）針對現(xiàn)有人工操作裝卸鶴管，通過用氣動閥門替換手動閥，以及增加液壓缸驅(qū)動等，實現(xiàn)了裝卸鶴管自動舒展需求，使其具備了自主補油功能；
      （2）針對裝卸鶴管中關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)接頭，通過增加主次密封圈、圓柱滾子、止水環(huán)和防水墊片等，有效保證了旋轉(zhuǎn)接頭連接管道的密封性；
      （3）針對裝卸鶴管旋轉(zhuǎn)接頭的強度和剛度問題，在施加載荷情況下，通過有限元技術(shù)驗證了旋轉(zhuǎn)接頭外套結(jié)構(gòu)滿足使用要求；
      （4）基于adams的動力學仿真，通過裝卸鶴管末關(guān)節(jié)的運動分析進一步驗證了文中所設(shè)計的補油裝卸鶴管滿足了自主補油時的移動要求。